一種圖像置亂算法及在數(shù)字電視中的應(yīng)用研究

崔基哲，張 波，Jong Weon KIM

（1.延邊大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院信息管理與信息系統(tǒng)，吉林延吉 133002；2.韓國(guó)祥明大學(xué)著作權(quán)保護(hù)專業(yè)，韓國(guó)首爾 110743）

0 引言

2009年8 月，廣電總局發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)高清電視發(fā)展的通知》，要求現(xiàn)階段要采取高清、標(biāo)清同播過(guò)度發(fā)射，并要求衛(wèi)星傳輸?shù)母咔骞?jié)目必須進(jìn)行加密［1］。CCTV-1等9套高清同播節(jié)目相繼上星播出，標(biāo)志著我國(guó)電視播出進(jìn)入高清時(shí)代［2］。

數(shù)字電視是將傳統(tǒng)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、量化和編碼等過(guò)程轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行各種功能的端到端的系統(tǒng)。數(shù)字電視不僅包括數(shù)字電視接收機(jī)、電視臺(tái)，還包括信號(hào)的產(chǎn)生、處理、傳輸、接收和重現(xiàn)的全過(guò)程。在數(shù)字電視網(wǎng)上還可以接入電視會(huì)議、可視電話、視頻點(diǎn)播、按次付費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)游戲等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)外的增值業(yè)務(wù)。為了確保增值業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)，除安全可控的綜合管理業(yè)務(wù)平臺(tái)之外還需要條件接收系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為CAS（Conditional Access System）。

為防止未授權(quán)的用戶違法竊取業(yè)務(wù)，在數(shù)字電視傳播過(guò)程中需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。圖像或視頻信息的加密方法是傳統(tǒng)研究中遇到的新問(wèn)題。

圖像置亂是近年來(lái)提出的有效解決手段，它采用密碼學(xué)的基本思想和一些新的手段，將需要保護(hù)的圖像直接進(jìn)行置亂或分存等處理，使其在視覺效果上不包含任何有意義的內(nèi)容來(lái)達(dá)到加密目的。目前常見置亂方法主要有Arnold變換、幻方變換、IFS模型、Conway游戲和Gray碼等，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)［3-6］。本文運(yùn)用DCT變換來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像置亂。為了讓算法滿足付費(fèi)用戶的安全管理要求，本算法增加了原圖分解成兩種圖的過(guò)程。

1 條件接收系統(tǒng)基本概念

條件接收系統(tǒng)（CAS）是數(shù)字電視實(shí)行收費(fèi)所必須采用的系統(tǒng)，可以分為3個(gè)層次:加擾/解擾層、控制層、管理層。

在信號(hào)的發(fā)送端，首先根據(jù)授權(quán)要求，由控制字發(fā)生器通過(guò)安全算法產(chǎn)生控制字（Control Word，CW），由它控制加擾器，對(duì)來(lái)自復(fù)用器的信息，即對(duì)視頻、音頻、圖像或補(bǔ)助數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾，形成雜亂無(wú)章的信號(hào)，只有用戶端經(jīng)過(guò)解擾，才能恢復(fù)原始信號(hào)。發(fā)送端可以利用服務(wù)密鑰（Service Key，SK），將控制字加密成授權(quán)控制信息（Entitlement Control Message，ECM）和經(jīng)過(guò)加擾的信號(hào)復(fù)用在一起傳送給用戶，同時(shí)利用個(gè)人分配密鑰（Personal Distribute Key，PDK）對(duì)SK加密，形成授權(quán)管理信息（Entitlement Management Message，EMM）傳給用戶。在接收端，付了費(fèi)的用戶有權(quán)拿到個(gè)人分配密鑰PDK，用它解出授權(quán)管理信息EMM，得到業(yè)務(wù)密鑰SK，再利用SK解出ECM中的 CW，從而實(shí)現(xiàn)解擾［7］。

圖1為CAS系統(tǒng)的傳送端原理圖。圖中，用戶ID、IC卡信息、編號(hào)、密碼等信息是由接收端傳給傳送端的信息；加擾之后的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字電視的傳送方式，即衛(wèi)星傳播、有線傳播、地面?zhèn)鞑サ确绞絺魉徒o接收端。

圖1 CAS系統(tǒng)傳送端原理圖

圖2為CAS系統(tǒng)的接收端原理圖。圖中，接收的信號(hào)直接傳給解擾器，之后在解復(fù)器解擾。傳送端與接收端之間的用戶ID等口令信息的傳遞由接收端的回傳接口來(lái)完成。

圖2 CAS系統(tǒng)接收端原理圖

通過(guò)這種方式，CAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三層加密體制:

1）利用控制字CW對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行加擾；每個(gè)CW字長(zhǎng)一般為64位，CW發(fā)生器不斷地隨機(jī)改變輸出內(nèi)容，CW對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾（進(jìn)行模二相加運(yùn)算）。

2）利用服務(wù)密鑰SK對(duì)授權(quán)控制信息ECM加密；ECM中攜帶了對(duì)CW的加密編碼及接收參數(shù)。

3）利用個(gè)人分配密鑰PDK對(duì)授權(quán)管理信息EMM加密；EMM攜帶了終端的授權(quán)信息及用戶訂購(gòu)節(jié)目信息等內(nèi)容［6-7］。

目前，國(guó)內(nèi)的CAS系統(tǒng)可以分兩種，即“一機(jī)一卡，機(jī)卡配對(duì)”的智能卡管理模式及“機(jī)卡分離”的管理模式（國(guó)內(nèi)統(tǒng)一的數(shù)字電視制式標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布，目前CAS系統(tǒng)基本采用“機(jī)卡配對(duì)”的智能卡方式管理。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布后，“機(jī)卡分離”模式將成為CAS的主要管理方式）。兩種模式的主要區(qū)別在于加擾/解擾、復(fù)用/解復(fù)用的設(shè)置順序，本文中針對(duì)CAS系統(tǒng)的說(shuō)明都基于機(jī)卡分離模式。

2 基于DCT的圖像置亂算法

2.1 DCT變換的性質(zhì)

DCT變換是一種線性正交變換，具有實(shí)數(shù)域內(nèi)變換、確定變換矩陣（與變換對(duì)象內(nèi)容無(wú)關(guān)）、二維DCT變換有可分離性等特點(diǎn)。正是基于這種特點(diǎn)，DCT變換在需要對(duì)大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的圖像處理中具有非常重要的地位。

二維DCT變換公式為

式中:u=0，1，…，M-1；v=0，1，…，N-1。

二維DCT反變換公式為

式中:x=0，1，…，M-1；y=0，1，…，N-1。

2.2 基于DCT的圖像置亂

考慮算法在數(shù)字電視網(wǎng)中的安全管理因素，在置亂時(shí)，首先對(duì)原圖進(jìn)行分解。整個(gè)圖像置亂處理過(guò)程如圖3所示。

置亂過(guò)程如下:

1）讀取原圖后，以8×8為單位分塊。

2）對(duì)每一個(gè)單元快進(jìn)行DCT變化，使空間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)。

3）用Mask矩陣對(duì)每一個(gè)頻域中的8×8數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的矩陣定義為矩陣B。

圖3 圖像置亂處理過(guò)程圖

4）根據(jù)矩陣B元素的大小，制作二元矩陣，定義為KEY矩陣（下稱置亂圖II）。當(dāng)B（i，j）＜0 時(shí)，KEY（i，j）=1；當(dāng)B（i，j）≥0 時(shí)，KEY（i，j）=0。

5）針對(duì)矩陣B的所有元素取絕對(duì)值，定義為矩陣C。即C=|B|。

DCT變換中，低頻區(qū)的數(shù)據(jù)變化對(duì)原圖的變化較大，為了解決此問(wèn)題，在預(yù)處理過(guò)程中導(dǎo)入了一個(gè)Mask矩陣，Mask矩陣如下

式中:α =10，β =0.5。

步驟3）中，得到矩陣B的具體過(guò)程如下:

圖4為DCT頻域分布及矩陣C的對(duì)比。矩陣C為圖像頻域數(shù)據(jù)處理為目的生成的矩陣。

圖4 矩陣C中I區(qū)與II區(qū)（截圖）

由圖4中可以看出DCT之后頻域數(shù)據(jù)的分布，高頻區(qū)的（I區(qū)）數(shù)據(jù)基本趨于0。

I區(qū)中所有元素都可以采用下述的替代法。若要替換I區(qū)中第i行，第j列的系數(shù)，給出如下的M和N

然后把M值重新賦給第i行，第j列處；把N值賦給第9-j行，第9-i列處。新得到的矩陣，記作置亂圖I。

不難得出，用M和N表示原有系數(shù)C（i，j）的公式為

為滿足數(shù)字電視收費(fèi)節(jié)目的瀏覽功能及付費(fèi)用戶的管理功能，置亂結(jié)果圖由兩個(gè)分解圖片構(gòu)成。圖5為置亂之后的效果圖。置亂圖I，II為原始圖置亂之后的效果圖。

圖5 圖置效果對(duì)比圖

置亂圖的恢復(fù)過(guò)程為置亂的逆過(guò)程。

置亂圖II為圖3的KEY矩陣，它描述DCT變換結(jié)果中的系數(shù)狀態(tài)，置亂圖I中可以得出矩陣B以及矩陣C在經(jīng)過(guò)Mask矩陣的逆處理得到矩陣A，對(duì)A進(jìn)行IDCT變化就可以得到原圖。

2.3 置亂圖像的加解密過(guò)程

基于實(shí)際應(yīng)用方面考慮，置亂圖II的矩陣具有其固定格式的矩陣數(shù)值，置亂圖I基本包含原圖中的直流成分，如果直接用到數(shù)字電視系統(tǒng)，則無(wú)法滿足數(shù)據(jù)安全方面的要求，也不能滿足數(shù)字電視系統(tǒng)中的發(fā)送端根據(jù)用戶付費(fèi)情況控制接收端的要求。

為解決這一問(wèn)題，本算法中針對(duì)置亂圖I，II可選參數(shù)條件下對(duì)其進(jìn)行加密。此部分可以根據(jù)數(shù)字制式電視臺(tái)的要求采用不同方式的算法。本文采用基于種子的偽隨機(jī)矩陣來(lái)進(jìn)行加密。過(guò)程如圖6所示。

1）生成一個(gè)基于Seed的偽隨機(jī)序列矩陣，記為R=Random（Seed，［m，n］），R中各項(xiàng)的取值范圍限定為0～255，參數(shù)［m，n］定義矩陣R的實(shí)際大小。2）矩陣R分別和置亂圖I，II矩陣做XOR運(yùn)算，分別得到加密圖I，II。3）分別對(duì)加密圖I，II與偽隨機(jī)矩陣R做XOR運(yùn)算得出解密圖 I，II。

圖6 置亂圖像的加密/解密過(guò)程圖

3 數(shù)字電視中的應(yīng)用

CAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三層加密體制，但無(wú)法解決嚴(yán)重危害運(yùn)營(yíng)商利益的CW共享攻擊。共享服務(wù)器將特定加密頻道的授權(quán)控制信息（ECM）發(fā)送到正版卡里；正版卡解出CW后返回共享服務(wù)器；共享服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等渠道將CW傳播給盜版用戶的非法終端。

出現(xiàn)這種漏洞的原因在于沒有適應(yīng)雙向網(wǎng)絡(luò):CA是1996年頒布的標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)的是廣電單向網(wǎng)絡(luò)；近年來(lái)經(jīng)過(guò)廣電雙向化網(wǎng)絡(luò)改造，部分地區(qū)開始使用雙向網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)初制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)沒有考慮到雙向性。

本文提出的圖像置亂算法是一種有效解決CA安全問(wèn)題的方案。數(shù)字電視的雙向網(wǎng)絡(luò)就可以保證回傳接口與數(shù)字電視管理系統(tǒng)之間的信息交流。

認(rèn)證過(guò)程如下:雙方共享一張圖，是發(fā)送方定期給接收方的。接收方根據(jù)共享圖生成置亂圖I、置亂圖II，置亂圖I用IC卡信息為Seed，使用R函數(shù)制作加密圖I、置亂圖II用Counter狀態(tài)序列號(hào)為Seed，使用R函數(shù)制作加密圖II，并把加密圖傳送給發(fā)送方；發(fā)送方解密兩張加密圖，如果復(fù)原順利，則表示認(rèn)證通過(guò)。圖片的復(fù)原過(guò)程中，發(fā)送方可以同時(shí)確認(rèn)用戶信息，IC卡信息以及當(dāng)前的用戶付費(fèi)狀態(tài)（Counter狀態(tài)序列號(hào)）。

上述操作有如下意義:

1）可以防止CW共享攻擊。Counter狀態(tài)序列號(hào)的信息中包含用戶的收視節(jié)目的狀態(tài)付費(fèi)相關(guān)的參數(shù)，這部分是由CAS系統(tǒng)與管理端共享的信息。如果通過(guò)共享攻擊破解，則管理端和接收端的信息不一致，發(fā)送方無(wú)法復(fù)原圖片，認(rèn)證失敗，從而防止CW共享攻擊。

2）防止IC卡的機(jī)械復(fù)制。如果發(fā)現(xiàn)IC卡復(fù)制情況，當(dāng)前需要重新發(fā)送新的IC卡。采用此置亂算法，則發(fā)送端更換共享圖就可以解決問(wèn)題。更換共享圖可以根據(jù)管理端的需要，按周期替換。

3）傳輸過(guò)程中，使用的所有圖片都是毫無(wú)意義的置亂圖。發(fā)送端的共享圖片傳輸無(wú)需其他費(fèi)用，可以采用與用戶配對(duì)的方法。從而在CAS三層加密的基礎(chǔ)上，增加了一道保護(hù)。

4）置亂算法中的替換函數(shù)C（i，j）可以根據(jù)管理端的要求，定期更改參數(shù)，從而防范與避免可能發(fā)生的安全隱患。R函數(shù)可以用公鑰算法來(lái)代替。

4 結(jié)論

本文討論數(shù)字電視加解密原理及圖像置亂算法，并進(jìn)一步分析算法在安全環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。提出的置亂算法，可適用于收費(fèi)電視節(jié)目的安全管理，并簡(jiǎn)化原數(shù)字電視加解密系統(tǒng)兩端間的交互流程，加強(qiáng)CA共享所帶來(lái)的安全性，可以有效防止CW共享攻擊。算法基本滿足數(shù)字電視的管理及播放要求，因CAS系統(tǒng)擁有本論文提出的算法運(yùn)算功能，在推廣過(guò)程中無(wú)須增加其他硬件，保證了可推廣性。

［1］廣電總局關(guān)于促進(jìn)高清電視發(fā)展的通知［EB/OL］.（2009-08-10）［2010-09-01］.http://www.sarft.gov.cn/articles/2009/08/10/20090810110314900983.html.

［2］謝東暉.衛(wèi)星高清電視遠(yuǎn)程加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)探討［J］.廣播與電視技術(shù)，2010（10）:147-150.

［3］李永逵，馮喬生，周粉，等.二維Arnold變換及非等長(zhǎng)圖像置亂變換［J］. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（13）:3133-3135.

［4］張向華.基于混沌映射網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字圖像加密算法［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36（6）:175-177.

［5］吳友情，呂皖麗，羅斌.空域彩色圖像的二級(jí)置亂算法［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（13）:637-639.

［6］譚永杰，馬苗.位平面與Gray碼相結(jié)合的圖像置亂方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（16）:174-177.

［7］些東暉.微型高清電視遠(yuǎn)程加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)探討［J］.安全播出與監(jiān)測(cè)，2010（10）:146-150.

［8］張雪輝.數(shù)字電視條件接收原理及其應(yīng)用技術(shù)研究［J］.中國(guó)科技博覽，2009（24）:4.